一种有关图像处理的基于网格的数字城市框架

周俊祥，杜 飞

（商丘师范学院，河南 商丘 476000）

一种有关图像处理的基于网格的数字城市框架

周俊祥1，杜 飞2

（商丘师范学院，河南 商丘 476000）

基于C/S或B/S模式的数字城市系统已经不能满足时代的要求,网格技术的出现与应用为数字城市的构建带来了新的解决思路。本文通过分析数字城市的特点和数字城市面临的问题，结合网格应用开发技术，提出了一种有关图像处理的数字城市框架。

数字地球；数字城市；网格;图像

当今中国的大城市病已经相当严重，交通拥挤、资源紧缺、城市居民生活质量下降等问题在困扰着城市的进步。近年来我国大城市的建设和改造步伐加快，城市圈开始在我国部分地区出现，而许多特大城市也开始着手兴建“卫星城”，希望能解决大城市病的诸多问题。但是，实际运行中，发展“卫星城”很多的时候却是使城市更加“臃肿”，“城市病”的现象更加突出。城市建设日新月异，资源短缺和环境脆弱约束下的快速城市化进程，对城市规划、建设、管理与服务，提出前所未有的挑战。

“数字城市”的核心是最大限度地利用城市资源，在城市管理和辅助政府决策方面，实现工作流程的规范化、标准化、软件化和网络化，提高城市管理部门的工作效率和办事透明度，使政府的管理和为社会服务从定性化走向定量化，并将其建立在先进的技术支撑和可靠的数据基础上，为城市管理和发展提供及时和充分的科学依据。“数字地球”的概念能够为日益严峻的环境保护、灾害治理、自然资源保护、经济与社会可持续发展以及提高人类生活质量等方面的问题带来更为全面而有效的思维模式和解决途径。

数字城市是数字地球的重要组成部分,全球信息化的基本单元,是一个跨越了多学科和领域的复杂系统。它涉及了遥感技术、地理信息系统技术、全球定位系统技术、计算机技术、宽带网络技术、元数据技术、数据库技术、数据挖掘技术、图形图像技术和虚拟现实技术等多个领域。

数字城市是信息时代城市建设与管理的数字化、网络化、可视化和智能化的综合体。目前数字城市得到了很大的发展,国内外的不少城市已建起自己的“数字城市”。但在数字城市发展的同时,也遇到了一些传统的数字城市技术不能很好解决的问题。譬如，在数字城市中，虚拟现实城市地理信息系统（VRUGIS）的主要目标是通过采用虚拟现实技术实现城市景观建模和城市环境变量的可视化来建立人机和谐的虚拟城市。目前制约VRUGIS发展的瓶颈问题之一是实时场景渲染问题。由于用户与VRUGIS的交互方式是沉浸式的，为了消除场景的闪烁感和交互时场景变化的滞后感，通常要求场景刷新率比较高，即场景渲染实时性强。由于场景渲染涉及大规模的三角形绘制过程，这种图形绘制过程是非常消耗计算资源的，因此需要配备超级图形工作站，但这种工作站价格非常高。

本文提出了一种基于网格的高性能数字城市应用系统的体系结构设计技术，为解决数字城市所面临的难题提供了可能。文中重点针对3个方面进行讨论：（1）数字城市相关领域中网格技术的应用；（2）总体框架和图像处理服务;（3）总结。

一、数字城市相关领域中网格技术的应用

网格被看成是继传统互联网、Web之后的第三大浪潮，可以称之为第三代互联网的应用。传统因特网实现了计算机硬件的联通，万维网实现了网页的联通，而网格试图实现互联网上所有资源的全面联通，包括计算资源、存储资源、通信资源、软件资源、信息资源、知识资源等等，最终实现网络虚拟环境上的资源共享和协同工作，消除信息孤岛和资源孤岛。网格计算主要可以分为计算网格、信息网格与知识网格3个层次，网格技术研究工作主要涉及网格计算、信息网格和网格服务等方面。

数字城市是指信息化的城市，是信息时代实体城市向虚拟城市的自然进化。由于数字城市中许多领域都是数据密集、计算密集或访问密集的，如专业仿真型城市地理信息系统通常是数据密集加计算密集的；城市遥感影像实时（Real-Time）处理也是数据密集加计算密集的；分布式虚拟现实城市地理信息系统和空间信息应用服务则是数据密集加计算密集再加访问密集，因此网格计算对数字城市诸多领域都将产生非常深远的影响。

在国外,有一些机构和组织正在研究网格技术在空间数据处理方面的应用,最著名的是Earth System Grid(ESG),由美国能源部发起,使用Globus ToolKit和其他一些网格技术,实现了一个能对远程气候数据的交互分析原型系统。研究人员已经在天气预报、高能物理实验、航空器研究等领域，开发了一些基于Globus网格计算的应用程序,效果较好。虽然这些应用仍属试验性质,但它至少表明,网格计算可以胜任不少用超级计算机难以胜任的大型应用任务。另外，欧空局ESA的对地观测开发式网格服务研究计划目标是提供一种环境，使得用户可以发现和得到他们感兴趣区域的空间数据，不论这些数据在全球的任何数据库中，并且可以实现海量数据的迁移，利用网格上的成千上万的处理资源进行快速处理。

二、总体框架和图像处理服务

1.部署在网格环境下的总体框架

该框架主要由数字城市应用可视化、应用构建和计算、作业提交三大模块组成。数字城市应用可视化模块读取多种类型的数据文件并根据需要以不同模式显示应用；应用构建模块完成添加新场景数据模块或历史数据，修改应用参数信息构建新应用的功能；作业提交模块通过网格中间件将计算任务分配给远程高性能计算机，并可随时查询作业运行状态。

系统采用浏览器/服务器(B/S)体系结构部署在网格中，用户通过浏览器访问系统，进行数字城市应用可视化和应用构建，并通过网格中间件提交计算作业到远程高性能计算机完成计算任务，计算完成后下载计算结果，并对结果进行分析处理。界面是用户和网格资源间的接口，用户不关心作业是如何提交到远程计算机，哪台计算机进行计算，只需指出计算要求和计算参数即可。

2.基于网格的数字城市应用框架

数字城市的应用,对城市的繁荣稳定及可持续发展起着不可忽视的作用。数字城市应用可视化日渐成为一个越来越重要的研究课题，可视化技术是数字城市中的关键技术。

2008年春运期间因暴雪引起了通讯、交通瘫痪，汶川地震中的应急处理上捉襟见肘等这些关系社会经济和群众生命安全的问题，如果有数字城市的辅助将会迎刃而解。眼下已经开发出了很多数字城市或数字地球可视化软件如 Google Earth、World Wind、StreetView、Virtual Earth等，这些软件具有很好的性能，但还都只是局限于显示城市的地图或三维建筑模型，虽然运行在网络环境中，但在性能和功能方面还有不少待改进之处。

3.框架下的图像处理计算

基于图像处理可以完成城市场景的三维模型重构和各种目标物体的识别任务，在数字城市应用中图像处理任务很重。当气象部门要求获得某个时间的城市上空云图分布数据、交通部门要求获得某个时间的城市交通流量分布数据、环保部门要求获得某个时间的城市环境污染情况数据、公安部门要求获得某个时间的突发事件事态情况数据等这些情况下，都要求对海量城市卫星遥感影像进行实时处理。但是，图像处理需要大量的CPU资源，所以，我们需要一个高性能的并行图像处理服务引擎。该引擎主要由命令解析器和并行图像处理器两个功能模块构成。其中，命令解析器负责解析任务所调用图像处理模块和相关的调用参数，并组合形成图像处理作业链；并行图像处理器负责完成各种图像处理功能，包括边缘处理、光谱分析、高程处理、灰度处理、向量化处理、频率分析、过滤处理、融合处理。有了这个引擎，我们就能随时输入需要处理的图像数据，并能及时精确地得到并行计算结果。

建设“数字城市”的尝试,在国外许多城市都在紧锣密鼓地进行筹划。数字城市是21世纪城市发展与建设的新主题，也是提高城市综合竞争力，促进城市经济发展、社会进步和人民生活水平提高的新动力，也是信息化社会发展的必然选择。现在我们有城市668个,相信它们在不久的将来都将建立各自的“数字城市”。而随着城市化进程的加快,城市还在不断地增加,所以用于“数字城市”建设的投入将是十分可观的。就世界范围来看,“数字城市”的研究目前仍处于探索试验阶段，这就要求我们对“数字城市”要有一个清醒的认识，尽量选用成熟技术，坚决杜绝不必要的在建设“数字城市”上的浪费，做到事半功倍。

［1］曹蕾.数字城市基本框架及关键技术［J］.交通科技与经济，2009，（2）.

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